LED紅藍光質(zhì)對水稻幼苗生長及生理特性的影響

屈 成 劉 芬 陳光輝 王 悅

(1湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，湖南 長沙 410128；2水稻油菜抗病育種湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128)

育秧是水稻機械化生產(chǎn)最為重要的環(huán)節(jié)，培育出健壯、整齊的秧苗是實現(xiàn)水稻機械化高產(chǎn)、高效的基礎[1]。傳統(tǒng)的大田育秧技術(shù)容易受自然條件的影響，且存在秧齡彈性小、秧苗素質(zhì)差、育苗成本高等問題[2]。工廠化育秧具有節(jié)本高效、人工可控、批量精準等優(yōu)勢，是水稻全程機械化生產(chǎn)的重要趨勢[3]。有研究表明水稻幼苗個體發(fā)育對光的響應十分敏感，不同波長的光可以調(diào)控秧苗生長[4-8]。因此，研究光質(zhì)與水稻秧苗生長之間的關系，對完善工廠化育秧技術(shù)具有重要意義。

發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)作為第4代新型照明光源，具有光質(zhì)純、能耗低、壽命長和光效高等優(yōu)勢，被認為是21世紀最具有應用前景的電光源。LED 對水稻幼苗生長的影響已有報道。張喜娟等[4]研究發(fā)現(xiàn)，光質(zhì)、補光時間和光強均能顯著影響水稻壯苗指數(shù)，且可通過光質(zhì)調(diào)控水稻生長發(fā)育及形態(tài)建成。郭銀生等[5]研究表明藍光能夠降低水稻幼苗株高，提高5 葉期壯苗指數(shù)和可溶性蛋白含量。H?usler 等[6]發(fā)現(xiàn)藍光可能是通過影響葉綠素合成、葉綠體發(fā)育及光合作用來調(diào)控幼苗形態(tài)結(jié)構(gòu)。孫慶麗等[7]研究表明，紅光對水稻幼苗莖的生長具有明顯促進作用。許仁良等[8]研究表明，LED 藍紅光搭配處理對水稻秧苗素質(zhì)的影響相比單一藍光或者單一紅光處理的效果好。權(quán)龍哲等[9]通過對封閉式立體育秧環(huán)境參數(shù)的研究表明，水稻育秧環(huán)境宜采用藍光光質(zhì)搭配其他環(huán)境參數(shù)組合。目前，前人研究多關注于單一光質(zhì)及補光對水稻幼苗生長的影響，但針對水稻工廠化育秧過程中不同LED 光質(zhì)配比的研究較少，特別是LED 紅藍光質(zhì)配比對水稻幼苗生長的研究更是鮮有報道。因此，本研究通過在普遍使用的LED 白色光源基礎上添加不同比例的紅藍光，研究不同光質(zhì)配比對水稻幼苗生長及生理特性的影響，旨在為水稻工廠化育秧的光環(huán)境調(diào)控提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以常規(guī)秈稻品種湘早秈45 號為試驗材料，種子由湖南農(nóng)業(yè)大學水稻研究所提供。

1.2 試驗設計

試驗光源為湖南農(nóng)業(yè)大學國家南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心研制的新型LED 植物生長燈。通過前期白光、藍光、紅光光質(zhì)篩選試驗，共設置7 個處理(圖1)，分別為CK(白光)、T1(白光∶藍光＝2∶1(光質(zhì)比))、T2(白光∶藍光＝1∶2)、T3(白光∶紅光＝7∶1)、T4(白光∶紅光＝2∶1)、T5(白光∶紅光＝3∶2)、T6(白光∶紅光＝1∶2)，3 次重復。采用定時器控制光照時間為6:00-18:00，光強為100±5 μmol·m-1·s-1，LED 植物生長燈距離露白種子35 cm。

圖1 不同LED 光質(zhì)比光源的光譜分布Fig.1 Spectral distribution of special LED light ratio light source

試驗于2018年5月進行，選取無病蟲害且飽滿度一致的水稻種子，經(jīng)濃度為5%的次氯酸鈉溶液浸泡消毒20 min 后，用去離子水反復沖洗3 ～4 次，最后用常溫蒸餾水浸種24 h，于37℃恒溫烘箱催芽12 h(種子露白后)，定植于PCR 板中，再將其放置水培液中進行培養(yǎng):先用蒸餾水緩苗，2 d 后用全營養(yǎng)液培養(yǎng)，營養(yǎng)液成分參照國際水稻研究所水稻營養(yǎng)液配方[10]，每3 d 更換一次營養(yǎng)液，培養(yǎng)時間15 d，培養(yǎng)環(huán)境溫度25±2℃，濕度80%±5%。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 形態(tài)指標和生物量指標測定 播種后14 d，每處理隨機選取15 株水稻幼苗，洗凈用于測定株高、第一葉葉鞘長、莖基寬、倒二葉葉長、倒二葉葉寬。每處理選取10 株水稻幼苗用萬分之一電子天平(Mettler Toledo ME 104E，瑞士)測定地上部和地下部鮮重和干重，計算總干物質(zhì)量，并根據(jù)公式計算壯苗指數(shù)[11]:

1.3.2 根和葉相關參數(shù)測定 播種后14 d，每處理隨機選取10 株，采用Scan Maker 9800×L plus 掃描儀(上海中晶科技有限公司)掃描整株根系和葉片，進一步將掃描得到的圖片運用Win RHIZO 分析系統(tǒng)(Regent公司，加拿大)分析，測量根總長、根總數(shù)、根表面積、根體積和葉面積。

1.3.3 光合色素含量測定 播種后14 d，每個處理選取5 株，分別剪取倒二葉，去掉葉脈，剪成2 ～3 mm 絲狀，用10 mL 95%無水乙醇浸提，置于4℃冰箱中暗處理48 h 至葉片完全發(fā)白。之后在470、649、665 nm 波長處進行比色，以計算葉綠素a(chlorophyll a，Chl a)、葉綠素b(chlorophyll b，Chl b)、總?cè)~綠素、類胡蘿卜素含量和Chl a/b。

1.3.4 抗氧化酶活性測定 播種后14 d，每處理分別稱取幼苗0.2 g 地上部和地下部樣品，液氮速凍后用于抗氧化系統(tǒng)分析。過氧化物酶(peroxidase，POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[12]，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性采用氮藍四唑法比色法測定[13]，過氧化氫酶(catalase，CAT)活性采用紫外吸收法測定[14]，丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量采用硫代巴比妥酸(4，6-dihydroxy-2-mercap yrimidine，TBA)比色法[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007 進行數(shù)據(jù)整理，利用SPSS 22.0 軟件對數(shù)據(jù)進行顯著性分析，采用Duncan法多重比較，顯著水平P＜0.05。采用Origin 9 制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同紅藍光質(zhì)比對水稻幼苗形態(tài)的影響

由表1可知，與CK 相比，增加藍、紅光比例，水稻幼苗莖基寬、倒二葉葉長、葉面積和壯苗指數(shù)均明顯增加；在藍光處理下(T1、T2)水稻株高和第一葉葉鞘長顯著降低，且隨著藍光比例的增加，株高和第一葉葉鞘長降低越明顯，而莖基寬、葉面積和壯苗指數(shù)則隨之增加，表明增加藍光對水稻生長發(fā)育具有一定的促進作用，藍光抑制了水稻幼苗的徒長，更能培育出粗壯、葉寬的幼苗；隨著紅光比例的增加(T3～T6)，水稻幼苗的株高、莖基寬和倒二葉葉寬呈先上升后下降的趨勢，均為T4 達到最大值；第一葉葉鞘長、倒二葉葉長、葉面積和壯苗指數(shù)隨著紅光比例的增加呈下降趨勢，均為T3 最大，表明紅光需在一定比例范圍內(nèi)才能有利于水稻的生長發(fā)育。

表1 不同紅藍光質(zhì)比對水稻幼苗形態(tài)指標的影響Table1 Effects of different red and blue light ratios on morphological indexes of rice seedlings

2.2 不同紅藍光質(zhì)比對水稻幼苗生物量的影響

由表2可知，不同光質(zhì)對水稻幼苗生物量的影響不同。相較CK，增加藍光或紅光比例，水稻幼苗生物量普遍提高。隨著藍光比例的增加水稻干重和鮮重均下降，均在T1 達到最大值?？傮w來說，當紅白光比例為1∶7(T3)時，地上部生物量達到最大值，藍白光比列為1∶2(T1)時，地下部生物量達到最大值，說明一定比例的紅、藍光質(zhì)有利于水稻生物量的積累，藍光主要促進地下部的生長發(fā)育，而紅光對提高地上部生物量的積累效果更明顯。

表2 不同紅藍光質(zhì)比對水稻幼苗生物量的影響Table2 Effects of different red and blue light ratios on the quality of rice seedlings (mg/株)

2.3 不同紅藍光質(zhì)比對水稻根系生長的影響

不同紅藍光質(zhì)比對水稻幼苗根總長、根表面積、根體積存在顯著影響(表3)。與CK 相比，增加紅光或藍光可明顯增加水稻幼苗根總長、根表面積和根體積，其中T2 的根總長最長，根表面積和體積最大。研究表明，紅光或藍光對水稻幼苗根系伸長和生長具有促進作用。比較相同比例的紅藍光(T4 和T1，T6 和T2)，藍光對水稻根系的生長發(fā)育促進作用更明顯，表明白藍組合光質(zhì)更適宜水稻根系生長。

表3 不同紅藍光質(zhì)比對水稻根系生長的影響Table3 Effects of different red and blue light ratios on root growth of rice

2.4 不同紅藍光質(zhì)比對水稻幼苗葉片光合色素含量的影響

光合色素是植物在光合作用中傳遞和捕獲能量的重要色素，其含量的高低能衡量葉片的光合效率和植株的生長發(fā)育[16]。由表4可知，與CK 相比，增加紅光或藍光比例均能提高Chl a、Chl b 和總?cè)~綠素含量；除T5 外，其他處理的Chl a/b 均降低。表明增加紅光或藍光有利于水稻幼苗葉片光合色素的積累，且Chl b含量的上升速率較Chl a 高，降低了Chl a/b。綜合比較，T5 的Chl a 和類胡蘿卜素含量高，T2 的Chl b 和總?cè)~綠素含量最高；比較相同比例的紅藍光(T4 和T1，T6 和T2)，表明紅光更有利于提高Chl a 含量，藍光更有利于提高Chl b 含量，而類胡蘿卜素無明顯變化規(guī)律。

2.5 不同紅藍光質(zhì)比對水稻幼苗抗氧化系統(tǒng)的影響

由圖2-A 可知，水稻幼苗根系的POD 活性整體高于葉片。與CK 相比，增加紅光降低了水稻幼苗葉片的POD 活性。與CK 相比，增加紅光和藍光均降低了水稻幼苗根系的POD 活性；隨著紅光比例的增加，POD 活性呈先增加后降低的趨勢，至T6 顯著低于CK。

由圖2-B 可知，除T6 水稻幼苗葉片的SOD 活性與CK 無顯著差異外，其他處理均顯著提高了水稻幼苗葉片的SOD 活性，且隨著紅藍光比例的增加SOD活性降低，這表明低比例的紅藍光對水稻幼苗葉片SOD 活性提升作用較大；除T4 外，水稻根中SOD 與CK 均無顯著差異，這說明水稻幼苗根系的SOD 活性受紅藍光的影響較小。

表4 不同紅藍光質(zhì)比對水稻幼苗葉片光合色素含量的影響Table4 Effects of different red and blue light ratios on the content of photosynthetic pigments in rice seedling leaves/(mg·g－1 FW)

紅藍光對水稻幼苗葉片和根系中CAT 活性的影響不同。由圖2-C 可知，與CK 相比，添加紅藍光質(zhì)對水稻幼苗葉片的CAT 活性的影響整體呈增加趨勢，對根系中CAT 活性的影響則呈下降趨勢。其中，與CK相比，T1、T4 均顯著提高葉片CAT 活性；T5、T6 均顯著降低根系CAT 活性。隨著藍光比例的增加，水稻幼苗葉片和根系的CAT 活性均下降；隨著紅光比例增加，水稻葉片CAT 活性先增加后降低，而根系的CAT 活性則逐漸降低。

2.6 不同紅藍光質(zhì)比對水稻幼苗MDA 含量的影響

由圖2-D 可知，與CK 相比，各處理水稻幼苗葉片的MDA 含量均無顯著差異，但水稻幼苗根系的MDA含量普遍降低，且其下降幅度大體隨著紅藍光比例的增加而增加，其中T2 和T6 均顯著低于CK。

圖2 不同紅藍光質(zhì)比對水稻幼苗抗氧化酶活性及MDA 含量的影響Fig.2 Effects of different red and blue light ratios on antioxidant enzyme activity and MDA content in rice seedlings

3 討論

光作為植物生長的重要環(huán)境因素，可以影響植物葉片、根系的生長發(fā)育，其中藍光和紅光是植物光合作用中Chl a 和Chl b 的主要吸收光譜[16-17]。本研究表明，與CK 相比，不同紅藍光質(zhì)比例對水稻生長有明顯的影響，增加藍紅光比例水稻幼苗莖基寬、倒二葉葉長和葉寬、葉面積、壯苗指數(shù)、幼苗生物量、根總長、根表面積和根體積均明顯增加，這與Ryo 等[18]和戴林建等[19]的研究結(jié)果一致。隨著LED 藍光比例增加，水稻幼苗株高降低，主要是由于第一葉葉鞘長的縮短，同時莖稈變粗，這可能與莖稈中植物激素氧化酶或植物生長抑制物的活性增大有關，藍光可提高吲哚乙酸氧化酶在mRNA 水平上的表達，上調(diào)的基因誘導了吲哚乙酸氧化酶活性的上升，從而減少生長素在水稻植株的產(chǎn)生，降低了水稻株高[5，20-21]。研究還發(fā)現(xiàn)，相同比例紅光處理的株高、第一葉葉鞘長、倒二葉葉長均大于藍光處理，而水稻幼苗根總長和壯苗指數(shù)明顯低于藍光處理，白紅光比例為1∶2時，水稻幼苗莖基寬倒二葉葉寬(實際試驗過程中發(fā)現(xiàn)所有葉片葉寬均有降低)顯著低于同比例的藍光處理，這表明藍光處理水稻秧苗更為健壯，因此可在水稻育秧過程中補充一定比例的LED 藍光。已有研究表明，純紅或純藍光可導致水稻生長停滯或枯黃，適當?shù)脑黾蛹t光或藍光比例可促進作物生長發(fā)育或改善植物品質(zhì)[22-23]。本研究結(jié)果表明，白藍光比例為2∶1(T2)時、白紅光比例為7∶1或2∶1(T3 或T4)時更適合水稻幼苗的生長。

植物光合色素對紅藍光質(zhì)的吸收峰不同，從而造成植物光合色素形成差異。研究表明，藍光和紅光在植物葉綠體發(fā)育、葉綠素形成和吸收等方面具有重要作用，在番茄[24]、黃瓜[25]等作物中發(fā)現(xiàn)，LED 紅藍光有利于其幼苗光合色素的合成。本研究發(fā)現(xiàn)添加紅藍光有利于Chl a、Chl b 的合成，但Chl a/b 卻下降，這可能與紅藍光導致單位葉綠素的捕光色素復合體比例下降有關[26]，表明紅藍光下光合電子傳遞活性降低，光能利用效率下降。本研究還發(fā)現(xiàn)紅光促進Chl a 的合成更明顯，藍光對Chl b 的合成更有益，對類胡蘿卜素含量的影響則無明顯規(guī)律。但劉文科等[27]研究表明，藍光條件下豌豆Chl b 含量最低，紅光條件下Chl a 含量最低；趙占娟等[28]研究也表明，藍光促進綠豆Chl a的合成，而對Chl b 影響不大，可能是不同物種間Chl a和Chl b 的積累對光質(zhì)的響應不同。

抗氧化酶具有維持植物活性氧平衡、延緩植物衰老與枯萎等作用，SOD、POD 和CAT 作為主要的抗氧化劑，能協(xié)同作用有效清除植物體內(nèi)的自由基[29]。光質(zhì)不僅能影響植物的光形態(tài)建成、光合色素合成，而且可激活植物抗氧化系統(tǒng)，進而合成抗氧化物質(zhì)。本研究表明，與CK 相比，適當比例的紅藍光可提高水稻幼苗葉片以及根系的SOD 活性，還能提高葉片的CAT活性，其中T1 和T3 水稻幼苗葉片的SOD 活性最強，這與李亞華等[30]研究表明紅藍光使茄子總抗氧化能力提高的結(jié)論一致；同時，紅藍光降低了水稻根系的POD 活性，在白紅光比例為1∶2(T6)時達顯著水平，這與王政等[31]對紅葉石楠的研究結(jié)果不一致，在紅藍光質(zhì)比為7∶3的作用下紅葉石楠的抗氧化系統(tǒng)得到最大激活，進而促進了POD 活性，這可能是不同物種對光質(zhì)的響應差異所致。因此，不同物種以及同一物種在不同生育時期適宜的LED 光質(zhì)復合配比還有待進一步研究。MDA 含量可以反映植物膜脂過氧化程度[32]。本研究中，水稻幼苗MDA 含量大體隨著紅藍光比例的增加而下降，表明紅藍光比例增加使MDA維持在較低水平，對水稻幼苗的抗氧化酶防御機制具有保護作用。

4 結(jié)論

綜上所述，不同LED 光質(zhì)可顯著影響水稻幼苗生長及生理特性。與CK 相比，藍光處理抑制了水稻幼苗的株高，但莖基寬、葉面積和壯苗指數(shù)均顯著提高，光合色素含量增加、葉片SOD 活性增強；適當比例的紅光可促進水稻幼苗生長和葉片伸長，有利于幼苗干物質(zhì)積累。因此，水稻育秧過程中可適當增加紅光或藍光比例，從本研究結(jié)果來看，采用白光∶藍光＝1∶2的光源設置最有利于水稻壯苗。